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Capítulo 19 Fosforilação Oxidativa e Fotofosforilação A fosforilação oxidativa é o estágio final do metabolismo produtor de energia nos organismos aeróbicos. Todas as etapas oxidativas na degradação dos carboidratos, gorduras e aminoácidos convergem para esse estágio final da respiração celular onde, a energia proveniente da oxidação é responsável pela síntese de ATP. A fotofosforilação é o meio pelo qual os organismos fotossintéticos capturam a energia da luz solar – a fonte fundamental de energia na biosfera – e a usam para produzir ATP. A fosforilação oxidativa e a fotofosforilação em conjunto, são responsáveis pela maioria do ATP sintetizado por vários organismos aeróbicos na maior parte do tempo. Nos eucariotos, a fosforilação oxidativa ocorre nas mitocôndrias e a fotofosforilação, nos cloroplastos. A fosforilação oxidativa envolve a redução do O 2 a H2O com elétrons doados pelo NADH e FADH (^) 2, e ocorre igualmente na presença de luz ou
na escuridão. A fotofosforilação envolve a oxidação da H (^) 2O a O (^) 2, onde o NADP+^ é o aceptor de elétrons e é absolutamente dependente da energia luminosa. Apesar das diferenças, estes dois processos conversores de energia, altamente eficientes, apresentam mecanismos fundamentalmente semelhantes. Nosso entendimento atual da síntese do ATP na mitocôndria e cloroplastos está baseado na hipótese, introduzida por Peter Mitchell em 1961, de que as diferenças na concentração transmembrana de prótons são os reservatórios para a energia extraída das reações de oxidação biológicas. Esta teoria quimiosmótica tem sido aceita como um dos grandes princípios unificadores da biologia no século XX. Ela permite a compreensão dos processos de fosforilação oxidativa e fotofosforilação e para transduções de energia aparentemente distintas tais como o transporte ativo através de membranas e o movimento dos flagelos das bactérias. A fosforilação oxidativa e a fotofosforilação são mecanisticamente similares em três aspectos: (1) Ambos os processos envolvem o fluxo de elétrons através de uma cadeia de transportadores ligados à membrana. (2) A energia livre disponível através deste fluxo de elétrons “montanha abaixo” (exergônico), está acoplada ao transporte de prótons “montanha acima”, através de uma membrana impermeável ao próton, conservando a energia livre da oxidação dos combustíveis como um potencial eletroquímico transmembrana (pág. xxx). (3) O fluxo transmembrana de prótons no sentido do seu gradiente de concentração através de canais protéicos específicos, fornece a energia livre para a síntese do ATP, que é catalisada por um complexo proteico ligado à membrana (ATP sintase) e que acopla o fluxo de prótons à fosforilação do ATP.
Este capítulo começa com a fosforilação oxidativa. Inicialmente serão descritos os componentes da cadeia de transporte de elétrons, a sua organização em grandes complexos funcionais na membrana interna da mitocôndria, a seqüência do fluxo de elétrons através deles e os movimentos de prótons que acompanham este fluxo. O próximo tópico é o notável complexo enzimático que, através da “catálise rotacional” captura a energia do fluxo de prótons na forma de ATP. Então, serão considerados os mecanismos regulatórios que coordenam a fosforilação oxidativa através das várias vias catabólicas que oxidam combustíveis. Com este entendimento da fosforilação oxidativa mitocondrial, será abordada então a fotofosforilação, começando com a absorção da luz por pigmentos fotossintéticos, seguido pelo fluxo de elétrons, direcionado pela luz, da H (^) 2O para o NADP+ e a base molecular para o acoplamento do fluxo de elétrons e prótons. Finalmente, serão abordadas as similaridades de estrutura e mecanismo entre as ATP sintases dos cloroplastos e mitocôndrias bem como as bases evolutivas para essa conservação do mecanismo.
Albert L. Lehninger 1917 – 1986
Fosforilação Oxidativa Reação de Transferência de Elétrons na Mitocôndria A descoberta em 1948, por Eugene Kennedy e Albert Lehninger, de que as mitocôndrias são os sítios da fosforilação oxidativa nos eucariotos, marcou o início da fase moderna dos estudos das transduções de energia biológica. As mitocôndrias, tais como as bactérias gram-negativas, possuem duas membranas (Fig. 19-1). A membrana mitocondrial externa é facilmente permeável a pequenas moléculas (M (^) r , 5000) e íons que se movem livremente
através de canais transmembrana formados por uma família de proteinas integrais de membrana chamadas porinas. A membrana interna é impermeável à maioria das moléculas pequenas e íons, incluindo prótons (H +). As únicas espécies que atravessam a membrana interna são aquelas para as quais existem transportadores específicos. A membrana interna contém os componentes da cadeia respiratória e a ATP sintase. A matriz mitocondrial cercada pela membrana interna, contém o complexo da piruvato desidrogenase e as enzimas do ciclo do ácido cítrico, a via da β-oxidação dos ácidos graxos e as vias de oxidação dos aminoácidos. Em resumo, ela contém todas as vias da oxidação dos combustíveis, exceto a glicólise que ocorre no citosol. A membrana interna, seletivamente permeável, segrega os intermediários e as enzimas das vias metabólicas citosólicas através de processos metabólicos que ocorrem na matriz.
de substratos trabalhados pelas desidrogenases ligadas ao NADP. Isto é possível devido à piridina nucleotídeo transidrogenase , que catalisa a reação: NADPH + NAD +^ F 04 4 NADP+^ + NADH O NADH e o NADPH são transportadores de elétrons hidrossolúveis que se associam reversivelmente com as desidrogenases. O NADH carrega os elétrons derivados das reações catabólicas até o seu ponto de entrada na cadeia respiratória, o complexo da NADH desidrogenase, descrito a seguir. O NADPH geralmente fornece elétrons para as reações anabólicas. Nem o NADH nem o NADPH podem atravessar a membrana interna da mitocôndria, mas os elétrons que elas carregam podem ser lançados através dela, como será visto adiante.
tabela 19- Algumas reações importantes catalisadas por desidrogenases ligadas ao NAD(P)H Reação * Localização† Ligadas ao NAD α-Cetoglutarato + CoA + NAD +^ F 04 4 succinil-CoA + CO 2 + NADH + H +^ M L-Malato + NAD+^ F 04 4 oxaloacetato + NADH + H+^ M e C Piruvato + CoA + NAD+^ F 04 4 acetil-CoA + CO 2 + NADH + H +^ M Gliceraldeido-3-fosfato + Pi + NAD+^ F 04 4 1,3-difosfoglicerato + NADH +
H +
C
Lactato + NAD +^ F 04 4 piruvato + NADH + H +^ C β-hydroxiacil-CoA + NAD+^ F 04 4^ F 06 2 -cetoacil-CoA + CO 2 + NADH + H +^ M Ligadas ao NADP Glicose-6-fosfato + NADP +^ F 04 4 6-fosfogluconato + NADPH + H+^ C Ligadas ao NAD ou NADP L-glutamato + H (^) 2O + NAD(P) +^ F 04 4 α-cetoglutarato + NH 4 +^ + NAD(P)H M Isocitrato + NAD(P) +^ F 04 4 α-cetoglutarato + CO 2 + NAD(P)H + H +^ M e C
- Estas reações e suas enzimas foram discutidas nos Capítulos 15 a 18. † M designa mitocôndria; C, citosol.
As flavoproteínas apresentam um nucleotídeo flavina, o FMN ou o FAD, fortemente ligado, às vezes até covalentemente (veja Fig. 14-16). O nucleotídeo de flavina oxidado pode aceitar um elétron (dando origem a uma forma semiquinona) ou dois
(originando FADH 2 ou FMNH2). A transferência de elétrons ocorre porque a flavoproteína tem um potencial de redução maior que o do composto oxidado. O potencial de redução padrão de um nucleotídeo de flavina, diferente daquele do NAD ou NADP, depende da proteína à qual ele está associado. Interações locais com grupos funcionais na proteína distorcem os orbitais dos elétrons no anel da flavina, alterando as estabilidades relativas das formas oxidadas e reduzidas. Assim, o potencial de redução padrão relevante é o da flavoproteína específica e não o do FAD ou FMN isolado. O nucleotídeo de flavina deveria ser considerado parte do sítio ativo das flavoproteínas e não um reagente ou produto na reação de transferência de elétrons. Como as flavoproteínas podem participar tanto na transferência de um como de dois elétrons, elas podem funcionar como intermediários entre reações onde dois elétrons são doados (como nas desidrogenações) e aquelas onde um elétron é aceito (como na redução de uma quinona a hidroquinona, descrita a seguir).
Os elétrons passam através de uma série de transportadores ligados à membrana A cadeia respiratória mitocondrial consiste de uma série de transportadores de elétrons que atuam seqüencialmente, a maioria dos quais são proteínas integrais de membrana que apresentam grupos prostéticos capazes de aceitar ou doar um ou dois elétrons. Na fosforilação oxidativa ocorrem três tipos de transferência de elétrons: (1) transferência direta de elétrons, tal como na redução do Fe 3+^ a Fe 2+; (2) transferência como um átomo de hidrogênio (H+^ + e - ) e (3) transferência como um íon hidreto (:H-), que possui dois elétrons. O termo equivalente redutor é usado para designar um único equivalente de elétron transferido na reação de oxidação-redução.
Além do NAD e das flavoproteínas, três outros tipos de moléculas transportadores de elétrons funcionam na cadeia respiratória: uma quinona hidrofóbica (ubiquinona) e dois tipos diferentes de proteínas que contém ferro (citocromos e ferro-enxofre proteínas).
figura 19- Ubiquinona (Q ou coenzima Q ). A redução completa da ubiquinona requer dois elétrons e dois prótons e ocorre em duas etapas através de um intermediário radicalar semiquinona. A ubiquinona (também chamada de coenzima Q , ou simplesmente Q ) é uma benzoquinona lipossolúvel que apresenta uma longa cadeia lateral isoprenóide (Fig. 19-2). A plastoquinona (encontrada nos cloroplastos das plantas) e a menaquinona (encontrada nas bactérias) são compostos muito parecidos e desempenham papéis análogos ao da
membrana interna da mitocôndria. Uma notável exceção é o citocromo c da mitocôndria, uma proteína solúvel que se associa com a superfície externa da membrana interna da mitocôndria através de interações eletrostáticas. Nós abordamos o citocromo c nas discussões iniciais da evolução das proteínas (ver Adendo 5-2) e na estrutura de proteína (ver Fig. 6-18a).
figura 19-
Espectro de absorção do citocromo c nas suas formas oxidada (vermelho) e reduzida (azul). Também estão marcadas as bandas α, β e γ características da forma reduzida.
Helmut Beinert
Nas ferro-enxofre proteínas , inicialmente descobertas por Helmut Beinert, o ferro está presente não no heme, mas associado a átomos de enxofre inorgânico ou átomos de enxofre de resíduos de Cis na proteína, ou ambos. Esses centros de ferro-enxofre (Fe-S) variam desde estruturas simples com um único átomo de Fe coordenado a quatro grupos Cis-SH até centros Fe-S mais complexos com dois ou quatro átomos de Fe (Fig. 19-5). As proteínas ferro-enxofre Rieske (denominadas após sua descoberta) são uma variação neste tema, onde um átomo de Fe está coordenado a dois resíduos de His ao invés de dois resíduos de Cis. Todas as proteínas ferro-enxofre participam de transferências de um elétron onde cada átomo de ferro do arranjo ferro-enxofre está oxidado ou reduzido. Pelo menos oito proteínas ferro-enxofre funcionam na transferência de elétrons da mitocôndria. O potencial de redução das proteínas ferro-enxofre varia de –0.65 V a +0.45 V, dependendo do microambiente do ferro na proteína.
figura 19-
Centros Fe-S. Os centros Fe-S das proteínas ferro-enxofre podem ser simples como em ( a ), com um único Fe rodeado por átomos de S de quatro resíduos de Cis. Outros centros incluem tanto átomos inorgânicos e átomos de S de Cis, como nos centros 2Fe-2S ( b ) ou 4Fe-4S ( c ). A ferredoxina da cianobactéria Anabaena 7120 ( d ) possui um centro 2Fe-2S. (Observe que apenas os átomos S inorgânicos estão contados nestas designações. Por exemplo, no centro 2Fe-2S ( b ), cada íon Fe está de fato rodeado por quatro átomos de S). O potencial de redução padrão exato do ferro nestes centros depende do tipo de centro e da sua interação com as proteínas associadas.
Na reação completa catalisada pela cadeia respiratória mitocondrial, os elétrons se movem do NADH, succinato ou algum outro doador primário de elétrons através das flavoproteínas, ubiquinona, proteínas ferro-enxofre, citocromo e finalmente para o O2. A análise dos métodos usados para determinar a seqüência onde esses carregadores atuam é instrutiva, uma vez que a mesma abordagem geral tem sido usada para estudar outras cadeias de transporte de elétrons, tais como as dos cloroplastos. Primeiro, o potencial de redução padrão de cada um dos carregadores de elétrons foi determinado experimentalmente (Tabela 19-2). Espera-se que os carregadores funcionem em ordem crescente do potencial de redução, uma vez que os elétrons fluem espontaneamente dos carregadores de menor E’ o^ para carregadores com E’ o^ maiores. A ordem dos carregadores deduzida por este método é NADH F 02 2 Q F 02 2 citocromo b F 02 2 citocromo c (^) 1 F 02 2 citocromo c F 02 2 citocromo a F 02 2 citocromo a (^) 3 F 02 2 O (^) 2. Note contudo que a ordem dos potenciais de redução padrão não é necessariamente a mesma que a dos potenciais de redução verdadeiros em condições celulares, que dependem da concentração das formas reduzida e oxidada. Um segundo método para determinar a sequência dos carregadores de elétrons envolve a redução experimental da cadeia completa de carregadores quando se fornece uma fonte de elétrons, mas nenhum aceptor de elétrons (sem O2). Quando o O 2 é introduzido abruptamente no sistema, a velocidade com que cada transportador de elétrons se oxida (medida espectroscopicamente) mostra a ordem na qual os transportadores funcionam. O transportador mais próximo do O 2 (na extremidade da cadeia) libera seu elétron primeiro, o segundo transportador a partir da extremidade é o próximo a ser oxidado e assim por diante. Tais experimentos confirmaram a seqüência deduzida a partir dos potenciais de redução padrão.
tabela 19- Potenciais de redução padrão da cadeia respiratória e dos transportadores de elétrons relacionados
Reação redox (meia-reação) E’ o^ (V)
2H +^ + 2e- F 02 2 H 2 -0,
NAD +^ + H+^ + 2e- F 02 2 NADH -0,
NADP +^ + H +^ + 2e- F 02 2 NADPH -0,
NADH desidrogenase (FMNH (^) 2) + 2 H+^ + 2e-^ F 02 2 NADH desidrogenase -0,
complexo III transporta elétrons da ubiquinona até o citocromo c e, o complexo IV completa a seqüência transferindo elétrons do citocromo c para o O2. Vamos agora analisar com mais detalhes a estrutura e a função de cada complexo da cadeia respiratória mitocondrial.
figura 19- Separação dos complexos funcionais da cadeia respiratória. A membrana mitocondrial externa é inicialmente removida através de tratamento com o detergente digitonina. Fragmentos da membrana interna são então obtidos por ruptura osmótica da mitocôndria e, os fragmentos são cuidadosamente dissolvidos em um segundo detergente. A mistura resultante das proteínas da membrana interna é resolvida, através de cromatografia de troca iônica, nos diferentes complexos (I até IV) da cadeia respiratória, cada um com sua composição protéica única (ver Tabela 19-3) e, a enzima ATP sintase (algumas vezes chamada de complexo V). Os complexos (I a IV) isolados catalisam as transferências entre doadores (NADH e succinato), transportadores intermediários (Q e citocromo c ) e O (^) 2, conforme mostrado. In vitro, a ATP sintase apresenta apenas a atividade de hidrólise do ATP (ATPase) mas não a de síntese do ATP.
tabela 19- Componentes protéicos da cadeia de transferência de elétrons da mitocôndria
Complexo enzimático Massa
(kDa)
Número de subunidades*
Grupo prostético
I NADH desidrogenase 850 42 (14) FMN, Fe-S
II Succinato desidrogenase 140 5 FAD, Fe-S
III Ubiquinona: citocromo c oxidorredutase
Citocromo c †
Heme, Fe-S Heme
IV Citocromo oxidase 160 13 (3-4) Hemes,
Cu (^) A , Cu (^) B *Número de subunidades em bactéria entre parênteses.
†Citocromo c não é parte de um complexo enzimático, mas se move livremente entre os complexos III e IV como uma proteína solúvel.
Complexo I: NADH até ubiquinona – A Figura 19-8 ilustra a relação entre os complexos I, II e a ubiquinona. O c omplexo I , também chamado de NADH: ubiquinona oxidorredutase , é uma grande molécula de enzima composta por 42 cadeias polipeptídicas diferentes, incluindo uma flavoproteina ligada a FMN e pelo menos seis centros Fe-S (Tabela 19-3). A microscopia eletrônica de alta resolução mostra que o complexo I tem a forma de L, com um braço do L na membrana e o outro prolongando-se em direção da matriz. Conforme mostrado na Figura 19-9, o complexo I catalisa simultânea e obrigatoriamente dois processos acoplados: (1) a transferência exergônica de um íon hidreto do NADH para a ubiquinona e um próton da matriz: NADH + H+^ + Q F 02 2 NAD +^ + QH 2 (19-1) e (2) a transferência endergônica de quatro prótons da matriz para o espaço intermembranoso. Entretanto, o complexo I é uma bomba de próton movida pela energia da transferência de elétrons e, a reação que ela catalisa é vetorial : ela movimenta os prótons em uma direção específica de um local (a matriz, que se torna negativamente carregada com a saída de prótons) para outro (o espaço intermembranoso, que se torna positivamente carregado). Para enfatizar natureza vetorial do processo, a reação global geralmente é escrita com subscritos que indicam a localização dos prótons: P para o lado positivo da membrana interna (o espaço intermembranoso), N para o lado negativo (a matriz). NADH + 5H+N + Q F 02 2 NAD +^ + QH 2 + 4 H+P (19-2) O amital (uma droga barbitúrica), a rotenona (um produto vegetal comumente usado como inseticida) e a piericidina (um antibiótico) inibem o fluxo de elétrons dos centros Fe-S do complexo I para a ubiquinona (Tabela 19-4) e por isso bloqueia todo o processo de fosforilação oxidativa.
O ubiquinol (QH (^) 2, a forma completamente reduzida, Figura 19-2) difunde-se na
membrana interna, do complexo I até o complexo III, onde é oxidado a Q em um processo que envolve o movimento de prótons para o lado externo (da matriz para o citosol).
Complexo II: succinato até ubiquinona – No Capítulo 15 encontramos o complexo II com o nome de succinato desidrogenase ; a única enzima do ciclo de Krebs que é ligada à membrana. Embora menor e mais simples que o complexo I, ele contém dois tipos de grupos prostéticos e pelo menos quatro proteínas diferentes (Tabela 19-3). Uma proteína
através da redução da diidroxiacetona formada na via glicolítica, é oxidado pela glicerol-3-fosfato desidrogenase (veja Fig. 17-4). Esta enzima é uma flavoproteína localizada na superfície externa da membrana mitocondrial interna e, tal como a succinato desidrogenase e a acil-CoA desidrogenase, ela canaliza elétrons para a cadeia respiratória reduzindo a ubiquinona (Fig. 19-8). O importante papel da glicerol-3-fosfato desidrogenase em transportar equivalentes redutores do NADH citosólico para a matriz mitocondrial será descrito posteriormente (ver Fig. 19-27). O efeito de cada uma destas enzimas transferidoras de elétrons é contribuir para o reservatório de ubiquinona reduzida. A QH 2 de todas estas reações é reoxidada pelo complexo III, o componente seguinte da cadeia de transferência de elétrons da mitocôndria.
tabela 19- Alguns agentes que interferem com a fosforilação oxidativa e a fotofosforilação
Tipo de interferência Composto Alvo/modo de ação
Inibição da transferência de elétrons
Cianeto Monóxido de carbono
Inibe a citocromo oxidase
Antimicina A Bloqueia a transferência de elétrons do citocromo b para o citocromo c Mixotiazol Rotenona Amital Piericidina A
Impede a transferência de elétrons do centro Fe-S para a ubiquinona
DCMU Compete com QB pelo sítio de
ligação em FSIII
Inibição da ATP sintase Aurovertina Inibe F 1
Oligomicina Venturicidina
Inibe Fo e CF (^) o
DCCD Bloqueia o fluxo de prótons através de F (^) o e CF (^) o
Desacoplamento da fosforilação da transferência de elétrons
FCCP
DNP
Carregadores hidrofóbicos de prótons Valinomicina Ionóforo para K+ Termogenina Forma poros condutores de prótons na membrana interna nas mitocôndrias de tecido gorduroso marron
Inibição da troca ATP-ADP Atractilosídeo Inibe a adenina nucleotídeo translocase
Complexo III: ubiquinona até citocromo c – O complexo III, o próximo complexo respiratório e também chamado de complexo dos citocromos b c (^) 1 ou ubiquinona- citocromo c oxidorredutase , acopla a transferência de elétrons do ubiquinol (QH2) para o citocromo c com o transporte vetorial de prótons da matriz para o espaço intermembranoso. A determinação das estruturas desse enorme complexo (Fig. 19-10) e do complexo IV (abaixo) através de cristalografia de raios X em 1995-1998 foram marcos no estudo da transferência de elétrons mitocondriais, propiciando a armação estrutural para integrar as inúmeras observações bioquímicas sobre a função dos complexos.
figura 19- Complexo do citocromo bc (^) 1 (complexo III). O complexo é um dímero de monômeros idênticos, cada um deles com 11 subunidades diferentes. (a) Estrutura do monômero. O centro funcional é formado por três subunidades: o citocromo b (verde) com seus dois hemes ( b (^) H e b (^) L ; vermelho claro), a proteína ferro-enxofre Rieske (púrpura) com seu centro 2Fe-2S (amarelo) e o citocromo c 1 (azul) com seu heme (vermelho). (b) A unidade funcional dimérica. O citocromo c (^) 1 e a proteina ferro-enxofre Rieske se projetam a partir da superfície P e podem interagir com o citocromo c (mostrado aqui, mas não como parte
quatro prótons no espaço intermembranoso. Cada QH 2 doa um elétron (via centro Fe-S Rieske) ao citocromo c (^) 1 e um elétron (via citocromo b ) para a molécula de Q no sítio QN , reduzindo-o em duas etapas a QH2. Esta redução também utiliza dois prótons captados da matriz.
Complexo IV: Citocromo c até O 2 – No passo final da cadeia respiratória, o complexo IV, também chamado citocromo oxidase , transporta dois elétrons do citocromo c para o oxigênio molecular, reduzindo-o a H (^) 2O. O complexo IV é uma proteína grande (
subunidades; Mr 204.000) da membrana mitocondrial interna. As bactérias apresentam uma forma mais simples, com somente três ou quatro subunidades, mas ainda capaz de catalisar tanto a transferência de elétrons como o bombeamento de prótons. A comparação dos complexos da mitocôndria e da bactéria sugere que três subunidades são críticas para a função (Fig. 19-12). A subunidade II mitocondrial contém dois íons cobre complexados aos grupos –SH de dois resíduos de Cis em um centro binuclear (Cu (^) A) (Fig. 19-12b) que lembram as proteínas de centros 2Fe-2S. A subunidade I contém dois grupos heme designados a e a (^) 3 e um outro íons cobre (Cu (^) B). O heme a 3 e o CuB formam um segundo centro binuclear que aceita elétrons do heme a e então os transfere para o O 2 ligado ao heme a (^) 3.
A transferência de elétrons através do complexo IV ocorre do citocromo c para o centro CuA , do heme a para o heme a (^) 3-centro CuB e, finalmente para o O 2 (Fig. 19-13). Para cada quatro elétrons que passam através deste complexo, a enzima consome quatro “substratos” H+^ da matriz (lado N) convertendo o O 2 em 2 H2O. Ela também usa a energia desta reação redox para bombear um próton para o espaço intermembranoso (lado P) para cada elétron transportado, aumentando o potencial eletroquímico produzido pelo transporte de prótons, induzido pelas reações redox, através dos complexos I e III. A reação global catalisada pelo complexo IV é:
4 cit c (reduzido) + 8H +N + O 2 F 02 2 4 cit c (^) (oxidado) + 4H+P + 2H2O (19-4)
Esta redução de quatro elétrons do O 2 envolve centros redox que transportam apenas um elétron de cada vez e, ela deve ocorrer sem gerar intermediários incompletamente reduzidos, tais como o peróxido de hidrogênio ou radicais hidroxila livres, que são espécies muito reativas que podem danificar os componentes celulares. Os intermediários permanecem fortemente ligados ao complexo até serem completamente convertidos em água.
figura 19- Subunidades críticas da citocromo oxidase (complexo IV). É mostrado o complexo bovino. (a) O centro do complexo IV apresenta três subunidades. A subunidade I (amarela) tem dois grupos heme, a e a (^) 3 (vermelho) e um íon cobre, CuB (esfera verde). O heme a (^) 3 e o CuB formam um centro Fe-Cu binuclear. A subunidade II (azul) contém dois íons Cu (esferas verdes) complexadas com os grupos –SH de dois resíduos de Cis em um centro binuclear, CuA , que se assemelha aos centros 2Fe-2S das proteínas ferro-enxofre. Este centro binuclear e o sítio de ligação do citocromo c estão localizados em um domínio da subunidade II que se projeta do lado P da membrana interna para o espaço intermembranoso. A subunidade III (verde claro) aparentemente é essencial para o funcionamento do complexo IV, mas o seu papel não é bem conhecido. (b) O centro binuclear do Cu (^) A. Os íons Cu (esferas verdes) compartilham igualmente os elétrons. Quando o centro é reduzido, eles apresentam cargas formais Cu1+^ Cu 1+^ e quando oxidados, Cu 1,5+Cu 1,5+^. Os ligante ao redor dos íons Cu incluem duas His (azul escuro), duas Cis
(amarelo), um Asp (vermelho) e uma Met (alaranjado).
figura 19- O caminho dos elétrons através do complexo IV. As três proteínas críticas para o fluxo dos elétrons são I, II e III. O contorno mais claro inclui as outras dez proteínas do complexo. A transferência de elétrons através do complexo IV começa quando cada uma das duas moléculas de citocromo c reduzido doam um elétron para o centro binuclear Cu (^) A. Os elétrons então passam, através do heme a , para o centro Fe-Cu (citocromo a (^) 3 e Cu (^) B). O oxigênio então se liga ao heme a (^) 3 e é reduzido até seu derivado peróxido (O 2 2-^ ) por dois elétrons do centro Fe-Cu. A liberação de mais dois elétrons do citocromo c converte o O 2 2- em duas moléculas de água, consumindo quatro “substratos” prótons da matriz. Simultaneamente, quatro outros prótons são bombeados da matriz através de um mecanismo ainda desconhecido.
figura 19- Resumo do fluxo de elétrons e prótons através dos quatro complexos da cadeia respiratória. Os elétrons alcançam Q através dos complexos I e II. QH 2 funciona como um transportador móvel de elétrons e prótons. Ela transfere elétrons para o complexo III, que os transfere para uma outra conexão móvel, o citocromo c. O complexo IV transfere então os elétrons do citocromo c reduzido para o O (^) 2. O fluxo de elétrons através dos complexos I, III e IV é acompanhado por um fluxo de prótons da matriz para o espaço
membrana e, (2) a energia potencial elétrica que resulta da separação de carga quando um próton se move através da membrana sem um contra íon (Fig. 19-15).
figure 19- Força próton motriz. A membrana interna da mitocôndria separa dois compartimentos de diferente [H+], resultando em diferenças na concentração química (F 04 4 pH) e distribuição de carga (F 04 4F 07 9 ) através da membrana. O efeito global é a força próton motriz (F 04 4 G) que pode ser calculada como mostrado. Isto é explicado com mais detalhes no texto.
Conforme mostrado no Capítulo 12, a mudança de energia livre para a criação de um gradiente eletroquímico por uma bomba de íons é: F 04 4 G = -RT ln (C (^) 2/C1) + ZFF 04 4F 07 9 (19-8)
onde C2/C 1 é a razão entre as concentrações para o íon que se desloca; Z é o valor absoluto
da sua carga (1 para o próton) e F 04 4F 07 9 é a diferença de potencial elétrico transmembrana, dada em volts. Para prótons a 25 oC, ln (C2/C1)= 2,3(log [H +^ ] (^) P - log [H +^ ] (^) N)= 2,3(pH (^) N - pHP )= 2,3 F 04 4 pH e a Eq, 19-8 se reduz a: F 04 4 G = - 2,3 RT F 04 4 pH + FF 04 4F 07 9 (19-9) =(5,70 kJ/mol) F 04 4 pH + (96,5 kJ/mol) F 04 4F 07 9 Em uma mitocôndria que respira ativamente, o F 04 4F 07 9 medido é 0,15-0,2 V e o pH da matriz é cerca de 0,75 unidades mais alcalino que o do espaço intermembranoso, de tal modo que a mudança de energia livre calculada para bombear prótons para fora é da ordem de + 20 kJ/mol (de H+^ ), a maior parte da qual é proveniente da porção elétrica do potencial eletroquímico. Uma vez que a transferência de dois elétrons do NADH para o O 2 é acompanhada pelo bombeamento para fora de 10 H+^ (Eq. 19-7) aproximadamente 200 kJ
dos 220 kJ liberados pela oxidação de um mol de NADH, são conservados no gradiente de prótons.
Quando os prótons se deslocam espontaneamente a favor do seu gradiente eletroquímico, a energia é disponibilizada para produzir trabalho. Nas mitocôndrias, cloroplastos e bactérias aeróbicas, a energia eletroquímica no gradiente de prótons direciona a síntese de ATP a partir de ADP e Pi. Nós voltaremos à energética e à
estequiometria da síntese de ATP direcionada pelo potencial eletroquímico no gradiente de prótons, posteriormente neste capítulo.
As mitocôndrias das plantas têm mecanismos alternativos para oxidar o NADH A mitocôndrias das plantas fornecem ATP durante os períodos de baixa iluminação ou escuridão através de mecanismos inteiramente análogos aqueles usados pelos organismos não fotossintéticos. Na luz, a principal fonte de NADH mitocondrial é a reação onde a glicina produzida pela fotorespiração é convertida em serina (Fig. 20-39):
2 Glicina + NAD+^ F 02 2 serina + NADH + H+^ + CO 2 + NH+ 4 Por razões discutidas no Capítulo 20, as plantas devem efetuar esta reação mesmo quando não têm necessidade de usar NADH para produzir ATP. Para regenerar o NAD+^ a partir de NADH desnecessário, a mitocôndria das plantas transfere elétrons do NADH diretamente para a ubiquinona e da ubiquinona diretamente para o O (^) 2, desviando-os dos complexos III e IV e suas bombas de prótons. A energia em NADH é dissipada na forma de calor, que algumas vezes pode ser de valor para a planta (Adendo 19-1). Contrariamente à citocromo oxidase (complexo IV), a QH 2 oxidase alternativa não é inibida por cianeto. A oxidação do NADH resistente ao cianeto, é de fato uma marca característica dessa via de transporte de elétrons em plantas.
Adendo 19- Vias Respiratórias Alternativas e Calor, Plantas mal cheirosas Muitas plantas floridas atraem insetos polinizadores liberando moléculas odoríferas que mimetizam uma fonte de alimento natural de insetos ou locais potenciais de postura de ovos. As plantas polinizadas por moscas ou escaravelhos que normalmente ali se alimentam ou põem seus ovos em esterco ou carne podre, algumas vezes usam compostos com mau cheiro para atrair esses insetos. Uma família de plantas malcheirosas é a Araceae, que inclui os filodendros, os copos-de-lírio e de uma espécie de couve mau cheirosa. Essas plantas apresentam folhas delgadas densamente empacotadas em uma estrutura ereta chamada espádice, rodeada por uma folha modificada chamada espata. A espádice libera odores de carne putrefata ou esterco. Antes da polinização a espádice também se aquece, em muitas espécies de 20 até 40°C acima da temperatura ambiente. A produção de calor (termogênese) ajuda a evaporação das moléculas odoríferas para uma melhor dispersão. Como a carne putrefata e o esterco são geralmente quentes devido ao metabolismo hiperativo dos micróbios carniceiros, o próprio calor também pode atrair insetos. No caso da couve mau cheirosa
